人工智能專(zhuān)業(yè)的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革

徐文霞　于寶成　趙彤洲　盧濤

[摘 要] 針對(duì)人工智能專(zhuān)業(yè)課程體系設(shè)置與傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)的不同，在自動(dòng)控制原理授課過(guò)程中，將機(jī)器人實(shí)例貫穿整個(gè)課程的教學(xué)中，通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，讓學(xué)生學(xué)以致用，提高了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)器人;自動(dòng)控制原理;人工智能專(zhuān)業(yè);教學(xué)改革

[作者簡(jiǎn)介] 徐文霞（1986—），女，湖北武漢人，博士，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院講師，博士，主要從事智能機(jī)器人相關(guān)研究;于寶成（通信作者）（1974—），男，博士，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事機(jī)電一體化相關(guān)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）25-0221-02? ? [收稿日期] 2020-02-26

一、引言

自動(dòng)控制原理是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)，如電氣工程、自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課程。自動(dòng)控制技術(shù)也是各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)、高新技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)等行業(yè)的關(guān)鍵及核心技術(shù)，因此自動(dòng)控制原理課程對(duì)于各個(gè)行業(yè)的發(fā)展都有著至關(guān)重要的作用[1]。

人工智能相關(guān)專(zhuān)業(yè)的載體是智能機(jī)器人，而機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)非常典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它具備感知、決策、執(zhí)行的能力，是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)于人工智能專(zhuān)業(yè)學(xué)生，學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理是十分必要和重要的。人工智能專(zhuān)業(yè)屬于新興學(xué)科，是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、信息技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的綜合體，是一個(gè)綜合性的學(xué)科[2]。但是自動(dòng)控制原理課程的學(xué)習(xí)需要數(shù)學(xué)、物理以及電學(xué)學(xué)科的知識(shí)，而人工智能專(zhuān)業(yè)的課程系統(tǒng)不可能完全把這些學(xué)科知識(shí)包含到其中，所以人工智能專(zhuān)業(yè)的自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)應(yīng)該根據(jù)該專(zhuān)業(yè)的課程體系設(shè)置，以及該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與改革。

提出人工智能專(zhuān)業(yè)的自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)改革方法，將機(jī)器人作為自動(dòng)控制原理課的應(yīng)用實(shí)例，貫穿到整個(gè)課程的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)中，建立“問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方法，提高學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解和實(shí)際運(yùn)動(dòng)能力。該教學(xué)方法內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前對(duì)于人工智能專(zhuān)業(yè)，自動(dòng)控制原理課程教學(xué)目前存在兩個(gè)問(wèn)題。一是自動(dòng)控制原理課程的學(xué)習(xí)需要自然、物理和電學(xué)相關(guān)知識(shí)作為基礎(chǔ)，而人工智能專(zhuān)業(yè)是一個(gè)綜合性學(xué)科，專(zhuān)業(yè)體系設(shè)置不可能全面覆蓋該課程所需基礎(chǔ)理論知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，缺少相應(yīng)的理論基礎(chǔ);二是傳統(tǒng)的教學(xué)模式是圍繞知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)，但是這種方法缺乏靈活性，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]。

針對(duì)以上問(wèn)題，在自動(dòng)控制原理的課程教學(xué)中，以機(jī)器人系統(tǒng)作為研究對(duì)象，要適當(dāng)削弱或者減少對(duì)物理系統(tǒng)、電學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)的依賴(lài)。機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)非常典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，機(jī)器人控制系統(tǒng)可以進(jìn)行系統(tǒng)建模、系統(tǒng)的性能分析、穩(wěn)定性分析，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性改進(jìn)。所以在課程的教學(xué)過(guò)程中，將一種機(jī)器人的應(yīng)用貫穿整個(gè)課程的教學(xué)中，這樣可以增加課程知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯性，幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用方法。同時(shí)增加機(jī)器人相關(guān)視頻以及在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)課程，引進(jìn)先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造力，提高學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的分析和解決能力。

三、課程內(nèi)容教學(xué)體系

自動(dòng)控制原理課程的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、跟軌跡分析、頻域分析以及PID控制，主要分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能以及頻率特性等，根據(jù)控制對(duì)象的控制目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。針對(duì)人工智能專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，以機(jī)器人為研究對(duì)象，將機(jī)器人系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)實(shí)例整合到課程的各個(gè)主要內(nèi)容中，培養(yǎng)和提高學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理課程的理解、系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)的人工智能相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模。數(shù)學(xué)建模是控制的基礎(chǔ)，建模的意義在于定性和定量的表達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和物理屬性，并為后續(xù)的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)提供控制方法。以工業(yè)機(jī)器人作為對(duì)象，通過(guò)分析工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，建立工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器位置和機(jī)械臂關(guān)節(jié)選擇角度之間的關(guān)系，從而建立工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型。

2.機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。機(jī)器人電機(jī)具有飽和非線(xiàn)性特性，所以對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要分析電機(jī)的飽和非線(xiàn)性影響下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。機(jī)器人系統(tǒng)的非線(xiàn)性環(huán)節(jié)的特性曲線(xiàn)和線(xiàn)性環(huán)節(jié)的奈奎斯特曲線(xiàn)之間的關(guān)系可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.機(jī)器人系統(tǒng)頻率特性分析。機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)綜合性系統(tǒng)，包含一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的子系統(tǒng)，對(duì)于這種子系統(tǒng)，采用一般方法很難建立其模型，所以根據(jù)頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)繪制系統(tǒng)的伯德（Bode）圖，確定該系統(tǒng)所包含的典型環(huán)節(jié)，得到該系統(tǒng)的頻率特性，最后使用算子替換的方法得到該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，完成該系統(tǒng)的系統(tǒng)辨識(shí)任務(wù)。

4.PID控制及其校正。PID控制是控制系統(tǒng)最常見(jiàn)的控制方法，以工業(yè)機(jī)器人作為實(shí)例，為其設(shè)計(jì)PID控制方法，調(diào)節(jié)三個(gè)控制參數(shù)KP，KI和KD，通過(guò)控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器的軌跡控制。

四、小結(jié)

針對(duì)人工智能專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在自動(dòng)控制原理授課過(guò)程中，提出了問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的方法。在課程的各個(gè)章節(jié)中設(shè)計(jì)以機(jī)器人為對(duì)象的解題任務(wù)，增強(qiáng)了各個(gè)章節(jié)的邏輯性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的分析和解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭艷.“自動(dòng)控制原理”混合式教學(xué)模式探索及教學(xué)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2019，41（6）：44-48.

[2]羅家祥.自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)理論課程課堂教學(xué)中的三層互動(dòng)設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2019，41（4）：115-117.

[3]海濤，趙娟，李偉洪.面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的自動(dòng)控制原理教學(xué)方法研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015，12（24）：90-92.

Abstract： In view of the difference between the artificial intelligence major curriculum system setting and the traditional engineering majors， the examples of robot run through the entire? teaching process of Automatic Control Theory. Through problem-driven teaching methods， students can learn to apply and improve their abilities of analyzing and solving problems.

Key words： robot; Automatic Control Theory; the major of artificial intelligence; teaching reform